CN115078951A - 一种igbt管压降检测电路及导通电流获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT管压降检测电路及导通电流获取方法，检测电路中高压检测电路承受IGBT关断后的高压，IGBT导通时为第一恒流源提供电流通路；镜像补偿电路抵消高压检测电路引入的误差；钳位回路在当被测IGBT两端电压过高时，通过设置电压钳位防止输入到差分运放的电压过高；当被测IGBT关闭时旁路回路导通为第一恒流源提供续流回路，当IGBT导通时旁路回路断开；第一恒流源在IGBT导通时提供电流，经高压检测回路和IGBT后流入地端；第二恒流源在IGBT导通时提供电流经镜像补偿回路流入地端；差分运放将正相与反相输入端信号作差输出管压降。本发明将检测精度提升至毫伏量级，实现IGBT管压降的精确检测，结合结温得到IGBT的导通电流。

Description

一种IGBT管压降检测电路及导通电流获取方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种IGBT管压降检测电路及导通电流获取方法。

背景技术

绝缘栅晶体管IGBT是MOSFFET与双极晶体管的复合器件，它既有功率MOSFET输入阻抗高、工作速度快、易驱动的优点，又具有双极达林顿功率管GTO饱和电压低、电流容量大、耐压高等优点，能正常工作于几千Hz频率范围，广泛应用于大、中功率设备，如工业变频器、轨道牵引、新能源发电和智能电网等。

由于驱动器与IGBT并联连接，驱动器无法直接检测IGBT的导通电流，可以通过IGBT两端的管压降Uce检测和结温计算出电流，IGBT的管压降Uce与电流的关系曲线如图1所示。传统的IGBT驱动器检测Uce导通压降的方式有二极管检测与阻容分压检测，如图2(a)所示，采用二极管的检测方式，检测回路里串入了二极管，开通时检测支路电流，经过二极管流入IGBT，检测结果包含了IGBT的管压降和二极管管压降，由于二极管管压降受到电流大小和温度变化影响，导致Uce检测误差大；如图2(b)所示，采用阻容分压的检测方式，检测回路通常选用多个高阻值和高耐压电阻串联，检测输出端电压一般只有几伏到十几伏，而输入端电压一般有几千伏，该方法难以精确检测低电压。以上两种方法实现的管压降检测，其结果通常用于判定IGBT严重过流故障，然后闭锁IGBT，如果不能准备测量IGBT工作的管压降，就无法对IGBT的工作状态进行准确的预测。

发明内容

因此，为了克服现有技术中获取IGBT工作的管压降精度低、误差大的缺点，提供一种IGBT管压降检测电路，可以实现IGBT管压降的精确检测，同时，依据管压降的检测数据，结合结温得到IGBT的导通电流，可以对IGBT工作状态实现全方位状态评估。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种IGBT管压降检测电路，包括：高压检测电路、镜像补偿电路、钳位与旁路回路、第一恒流源、第二恒流源和差分运放单元，其中：

高压检测电路，用于承受被测IGBT关断后的高压，并在被测IGBT导通时为第一恒流源提供电流通路；

镜像补偿电路，电路形式与器件参数与高压检测电路相同，用于抵消高压检测电路引入的测量误差；

钳位与旁路回路中的钳位回路，用于当被测IGBT两端电压过高时，通过设置电压钳位防止输入到差分运放单元的电压过高；当被测IGBT关闭时，旁路回路导通，为第一恒流源提供续流回路，当被测IGBT导通时，旁路回路断开；

第一恒流源，用于在被测IGBT导通时提供电流，依次经高压检测回路和被测IGBT后流入地端；

第二恒流源，用于在被测IGBT导通时提供电流，经镜像补偿回路流入地端；

差分运放单元，用于将正相输入端信号与反相输入端信号作差，输出被测IGBT的管压降。

在一实施例中，所述高压检测电路与所述镜像补偿电路，均包括：串联连接的二极管或串联连接的电阻。

在一实施例中，所述高压检测电路与所述镜像补偿电路，均包括：串联连接的二极管和电阻。

在一实施例中，所述钳位回路包括:将差分运放的输入端钳位到供电电源及接地端的二极管；所述旁路回路包括三极管或者mos管。

在一实施例中，所述第一恒流源、第二恒流源均为高稳定恒流源。

在一实施例中，所述第一恒流源为受控恒流源，所述第二恒流源为高稳定恒流源，所述IGBT管压降检测电路，还包括：第一电阻分压电路、第二电阻分压电路和跟随运放单元，所述第一电阻分压电路、第二电阻分压电路分别连接于所述差分运放单元正相输入端和反相输入端，所述跟随运放单元连接于所述第二电阻分压电路和第二恒流源之间。

在一实施例中，所述的IGBT管压降检测电路，还包括：第一限流电阻和第二限流电阻，分别连接于差分运放单元的正相输入端和反相输入端。

在一实施例中，所述的IGBT管压降检测电路，还包括：缓冲电路，连接于被测IGBT的基极，用于接收触发指令，控制被测IGBT的通断状态。

在一实施例中，旁路回路以及差分运放输出端的测量同接收到的触发指令协同配合，控制IGBT导通时，关闭旁路回路；控制IGBT关断时，使能差分运放输出端的测量。

第二方面，本发明实施例提供一种IGBT导通电流获取方法，包括：基于第一方面任一实施例所述的IGBT管压降检测电路，结合结温得到IGBT的导通电流。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的IGBT管压降检测电路及导通电流获取方法，检测电路采用高压检测电路，用于承受被测IGBT关断后的高压，并在被测IGBT导通时为第一恒流源提供电流通路；利用镜像补偿电路，电路形式与器件参数与高压检测电路相同，用于抵消高压检测电路引入的测量误差；设置钳位与旁路回路，用于当被测IGBT两端电压过高时，通过设置电压钳位防止输入到差分运放单元的电压过高；当被测IGBT关闭时，旁路回路导通，为第一恒流源提供续流回路，当被测IGBT导通时，旁路回路断开；第一恒流源，用于在被测IGBT导通时提供电流，依次经高压检测回路和被测IGBT后流入地端；第二恒流源，用于在被测IGBT导通时提供电流，经镜像补偿回路流入地端；最后采用差分运放单元，用于将正相输入端信号与反相输入端信号作差，输出被测IGBT的管压降。本发明基于高稳定恒流源的二极管检测方式，消除了负载波动对检测回路的影响；采用镜像补偿回路，用于抵消二极管的非线性和环境温度带来的影响，利用差分运放单元消除了检测回路引入的偏差，可以将传统的检测精度提升至毫伏量级，实现IGBT管压降的精确检测，通过获得的精确管压降值再配合系统电流，可以实现对IGBT结温、通态损耗和故障电流的准确评估，基于管压降的检测数据，结合结温得到IGBT精准的导通电流。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为IGBT的管压降Uce与电流的关系曲线图；

图2(a)和(b)为现有技术中的进行IGBT管压降检测电路的示意图；

图3为本发明实施例中提供的IGBT管压降检测电路的功能模块的连接示意图；

图4为本发明实施例中提供的IGBT管压降检测电路一个具体实施例的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的IGBT管压降检测电路另一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明提供的一种IGBT管压降检测电路，如图3所示，包括：高压检测电路、镜像补偿电路、钳位与旁路回路、第一恒流源、第二恒流源和差分运放单元，其中：高压检测电路，用于承受被测IGBT关断后的高压，并在被测IGBT导通时为第一恒流源提供电流通路；镜像补偿电路，电路形式与器件参数与高压检测电路相同，用于抵消高压检测电路引入的测量误差；钳位与旁路回路中的钳位回路，用于当被测IGBT两端电压过高时，通过设置电压钳位防止输入到差分运放单元的电压过高；以及当被测IGBT关闭时，旁路回路导通，为第一恒流源提供续流回路，当被测IGBT导通时，旁路回路断开；第一恒流源，用于在被测IGBT导通时提供电流，依次经高压检测回路和被测IGBT后流入地端；第二恒流源，用于在被测IGBT导通时提供电流，经镜像补偿回路流入地端；差分运放单元，用于将正相输入端信号与反相输入端信号作差，输出被测IGBT的管压降。在本发明实施例中通过在被测IGBT的基极设置缓冲电路，用于接收触发指令，控制被测IGBT的通断状态状态。

在实际应用中，根据实际元件参数在差分运放单元的正相输入端和反相输入端，选择性的分别设置限流电阻R11和R21，进行限流保护。

在本实施例中，高压检测电路与镜像补偿电路，均包括：串联连接的二极管、串联连接的二极管和电阻、串联连接的电阻中之一，如图4中以串联连接的二极管和电阻作为示例。需要说明的是，串联连接的元件中如果包含电阻会起到反压限流的作用，最终得到的IGBT管压降精度更高。

在本实施例中，钳位回路包括：将差分运放的输入端钳位到供电电源及接地端的二极管；旁路回路包括三极管或者mos管，如图4所示，本实施例以三级管T作为旁路回路作为举例说明。

在本实施例中第一恒流源、第二恒流源均为高稳定恒流源，其大小受负载波动和温度变化影响很小。如图4所示，在IGBT导通时，高稳定恒流源1提供电流I1，从Vp1输出经过高稳定恒流源1，经高压检测回路，经IGBT后，最终流入GND。高稳定恒流源2提供电流I2，从Vp2流出经过高稳定恒流源2，经镜像补偿回路后，最终流入GND。差分运放单元将正相输入端与反相输入端作差，消除了检测回路引入的偏差，最终输出被测IGBT的管压降Uce。

在本实施例提供的IGBT管压降检测电路中存在多个电压(Vcc、Vp1、Vp2)和多个电流(I1、I2)，该电压值和电流值可以不同，根据实际的检测需求确定。图4中，电流I1与电流I2相等。三个电压可以不同，只要Vcc电压匹配差分运放的供电要求，Vp1电压匹配被测IGBT管压降的检测范围，Vp2电压匹配镜像补偿回路，实现该回路恒流值满足I2＝I1即可。

本发明实施例中还包括：缓冲电路，连接于被测IGBT的基极，用于接收触发指令，控制被测IGBT的通断状态。旁路回路以及差分运放输出端的测量同接收到的触发指令协同配合，控制IGBT导通时，关闭旁路回路；控制IGBT关断时，使能差分运放输出端的测量。如图4所示，本发明实施例中的缓冲电路以缓冲器作为示例说明。

本发明实施例提供的IGBT管压降检测电路，基于高稳定恒流源的二极管检测方式，消除了负载波动对检测回路的影响；采用镜像补偿回路，用于抵消二极管的非线性和环境温度带来的影响，利用差分运放单元消除了检测回路引入的偏差，可以将传统的检测精度提升至毫伏量级，实现IGBT管压降的精确检测，通过获得的精确管压降值再配合系统电流，可以实现对IGBT结温、通态损耗和故障电流的准确评估。

实施例2

本实施例提供的IGBT管压降检测电路，图5所示，将实施例1中的高稳定恒流源1替换为受控恒流源1，调整钳位与旁路回路的钳位电压值和增加第一电阻分压电路、第二电阻分压电路和跟随运放单元，其中第一电阻分压电路、第电阻二分压电路分别连接于差分运放单元正相输入端和反相输入端，跟随运放单元连接于第二电阻分压电路和高稳定恒流源2之间。

本实施例提供电路结构，相比实施例1中的电路结构提升IGBT管压降的检测范围，检测最大电压为Vp1，Vp1的电压可以高于Vcc，提升了IGBT的检测范围，不再受助于运放供电电源的限制，可以根据需求设定Vp1电压的大小。

本实施例中的受控恒流源1输出电流跟随其两端电压变化，I1＝I2+Vo1/(R1+R2)，其中Vo1＝Vp1-Vi1，Vi1为受控恒流源1两端电压，I2为高稳定恒流源2的电流。增大钳位电压值，由Vcc提升到Vp1，允许Vo1电压等于Vp1。增大钳位电压值，由Vcc提升到Vp1，允许Vo1电压等于Vp1，当Vp1电压高于运放电压时，增加电阻分压回路，如图5所示，差分运放单元的在V+端和V-端分别增加R1与R2组成的分压回路，降低输入电压后，输入到V+端，输入到差分运放正相输入端的电压V+＝Vo1*R2/(R1+R2)。Vp2的电压不高于Vcc电压，Vo2经过跟随运放，然后再经过电阻分压输入到反相输入端，V-＝＝Vo2*R2/(R1+R2)。

镜像补偿回路流过的电流为I2，高压检测回路流过的电流也是I2，可实现镜像回路与高压回路检测电压相互抵消，最终获得Uce＝V+-V-＝Vce*R2/(R1+R2)，其中Vce为真实的IGBT管压降值，Uce为实际采集到的管压降，两者间的比例关系为R2/(R1+R2)。

实施例3

本发明实施例提供一种IGBT导通电流获取方法，基于实施例1或实施例2所述的IGBT管压降检测电路，结合结温得到IGBT的导通电流。

实际应用中一般只是获取IGBT所在系统的电流，与IGBT导通电流之间存在较大误差，结温通过温度传感器获取，本发明实施例在获取到高精度的管压降之后，结合如图1所示IGBT型号对应的管压降、导通电流和结温的关系图(该关系图由IGBT生产厂家提供)，可以得到精度高的IGBT的导通电流。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种IGBT管压降检测电路，其特征在于，包括：高压检测电路、镜像补偿电路、钳位与旁路回路、第一恒流源、第二恒流源和差分运放单元，其中：

高压检测电路，用于承受被测IGBT关断后的高压，并在被测IGBT导通时为第一恒流源提供电流通路；

镜像补偿电路，电路形式与器件参数与高压检测电路相同，用于抵消高压检测电路引入的测量误差；

钳位与旁路回路中的钳位回路，用于当被测IGBT两端电压过高时，通过设置电压钳位防止输入到差分运放单元的电压过高；当被测IGBT关闭时，旁路回路导通，为第一恒流源提供续流回路，当被测IGBT导通时，旁路回路断开；

第一恒流源，用于在被测IGBT导通时提供电流，依次经高压检测回路和被测IGBT后流入地端；

第二恒流源，用于在被测IGBT导通时提供电流，经镜像补偿回路流入地端；

差分运放单元，用于将正相输入端信号与反相输入端信号作差，输出被测IGBT的管压降。

2.根据权利要求1所述IGBT管压降检测电路，其特征在于，

所述高压检测电路与所述镜像补偿电路，均包括：串联连接的二极管或串联连接的电阻。

3.根据权利要求1所述IGBT管压降检测电路，其特征在于，

所述高压检测电路与所述镜像补偿电路，均包括：串联连接的二极管和电阻。

4.根据权利要求1所述IGBT管压降检测电路，其特征在于，所述钳位回路包括：将差分运放的输入端钳位到供电电源及接地端的二极管；所述旁路回路包括三极管或者mos管。

5.根据权利要求1所述IGBT管压降检测电路，其特征在于，所述第一恒流源、第二恒流源均为高稳定恒流源。

6.根据权利要求1所述IGBT管压降检测电路，其特征在于，所述第一恒流源为受控恒流源，所述第二恒流源为高稳定恒流源，所述IGBT管压降检测电路，还包括：第一电阻分压电路、第二电阻分压电路和跟随运放单元，所述第一电阻分压电路、第二电阻分压电路分别连接于所述差分运放单元正相输入端和反相输入端，所述跟随运放单元连接于所述第二电阻分压电路和第二恒流源之间。

7.根据权利要求1-6任一所述的IGBT管压降检测电路，其特征在于，还包括：第一限流电阻和第二限流电阻，分别连接于差分运放单元的正相输入端和反相输入端。

8.根据权利要求7所述的IGBT管压降检测电路，其特征在于，还包括：缓冲电路，连接于被测IGBT的基极，用于接收触发指令，控制被测IGBT的通断状态。

9.根据权利要求8所述的IGBT管压降检测电路，其特征在于，旁路回路以及差分运放输出端的测量同接收到的触发指令协同配合，控制IGBT导通时，关闭旁路回路；控制IGBT关断时，使能差分运放输出端的测量。

10.一种IGBT导通电流获取方法，其特征在于，包括：基于权利要求1-9任一所述的IGBT管压降检测电路，结合结温得到IGBT的导通电流。

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